CN110000435B - 一种基于光致导电电极板的电化学加工装置及其电化学加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光致导电电极板的电化学加工装置，包括供电电源、电解液、与所述供电电源电连接的待加工工件、与所述供电电源电连接的电极板、位于所述电极板表面靠近所述待加工工件一侧的光致导电层、用于照射电极板的光照系统以及用于控制所述光照系统的控制机构。相应的，本发明还提供基于所述电化学加工装置的电化学加工方法。本发明提供的基于光致导电电极板的电化学加工装置，利用光致导电层受光照导电的特性，通过控制光源的形状及面积来控制电化学加工的面积及形状，省去了传统电化学加工的掩膜或电极板的制作，简化了加工立体微阵列结构的过程，节约了生产成本。

Description

一种基于光致导电电极板的电化学加工装置及其电化学加工 方法

技术领域

本发明涉及一种光致导电电化学加工技术领域，具体地，涉及一种基于光致导电电极板的电化学加工装置及其电化学加工方法。

背景技术

电化学加工，是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学反应原理而对金属材料进行成型加工的一种工艺方法。在电解加工中，当工具阴极向工件不断进给时,工件材料就按工具阴极型面的形状不断地被溶解,电解产物被高速流动的电解液带走，工件上就加工出与阴极形状近似或相反的型面。电解加工微小孔时，以工件作阳极,采用管状或棒状阴极，阴极外截面形状与加工孔截面形状相似。若要电解加工出微阵列结构，常用方法是使用微阵列结构电极板进行电解加工或者采用掩膜电解加工微阵列结构。

微阵列结构的方法是预先制作出带有与阴极形状近似或相反的结构的电极板。电极板的制作通常有两种方式，一是LIGA技术，该技术所需的X线同步辐射源比较昂贵稀少，致使其应用受到限制。另一种方式是微细电火花加工，该种方式可用于任何导电材料的加工，但是加工出来的微阵列结构易因冷却液、受热等原因发生变性。以及微细线切割技术难以加工出形状复杂的结构。

掩膜电解加工微阵列结构，要经过曝光、AOI(Auto Optical Inspection)、光刻胶显影、刻蚀、光刻胶去除，制作时间长，要制作高精度掩膜难度大且无法加工立体的微阵列结构。

基于上述电化学加工方法的种种不足之处，有必要提出一种新型电化学加工装置，解决以上问题。

本发明提出一种基于光致导电电极板的电化学加工装置及其电化学加工方法，通过在电极板上设置光致导电层，并采用微阵列光照射光致导电层，实现了电化学加工，简化了加工过程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于光致导电电极板的电化学加工装置及其电化学加工方法，通过在电极板上设置光致导电层，并采用微阵列光照射光致导电层，实现了电化学加工，简化了加工过程。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于光致导电电极板的电化学加工装置，包括供电电源、电解液、与所述供电电源电连接的待加工工件、与所述供电电源电连接的电极板、位于所述电极板表面靠近所述待加工工件一侧的光致导电层、用于照射电极板的光照系统以及用于控制所述光照系统的控制机构；

所述电极板为透明电极板，所述光照系统发出微阵列光透过所述电极板照射在所述光致导电层的部分表面上，在所述光致导电层上形成绝缘区和导电区；

其中，所述绝缘区为所述光致导电层上未被所述光照系统照射到的区域，所述导电区为所述光致导电层上被所述光照系统照射到的区域；

通电后，在所述待加工工件与所述导电区之间产生电化学反应，所述待加工工件上与所述导电区相对应的位置被溶解。

优选地，所述光致导电层由金属光电材料或高分子光电材质制成。

优选地，所述光致导电层由硒、硒碲合金、硫化镉、氧化锌或聚乙烯咔唑制成。

优选地，所述电极板由导电玻璃或导电塑料制成。

优选地，所述光照系统为微阵列光源，其照射于所述光致导电层上后，在所述光致导电层上形成了微阵列导电区。

优选地，所述供电电源为直流电源，所述光照系统为脉冲光源。

优选地，所述供电电源包括正极和负极；

所述待加工工件与所述供电电源的负极电连接；

所述电极板与所述供电电源的正极电连接。

优选地，所述供电电源为脉冲电源。

一种基于所述的电化学加工装置的加工方法，包括以下步骤：

S1、供电电源供电，在待加工工件与电极板之间形成电场；

S2、控制系统根据预设的微阵列柱状孔结构设置光照系统的光源结构，所述光照系统为阵列排布的点光源，该光源透过电极板照射在光致导电层上，在光致导电层上形成微阵列排布的导电区；

S3、微阵列排布的导电区与待加工工件发生电化学反应，待加工工件表面与微阵列排布的导电区相对应的位置被逐渐溶解，从而加工出预设的微阵列柱状孔结构。

一种基于所述的电化学加工装置的加工方法，包括以下步骤：

S1、供电电源供电，在待加工工件与电极板之间形成电场；

S2、控制系统根据预设的微阵列类金字塔状孔结构设置相应的光照系统的光源结构，所述光照系统为阵列排布的点光源，该光源透过电极板照射在光致导电层上，在光致导电层上形成微阵列排布的第一导电区，其中单个点光源的面积为a1；

S3、微阵列排布的第一导电区与待加工工件发生电化学反应，待加工工件表面与微阵列排布的第一导电区相对应的位置被逐渐溶解，从而加工出第一层微阵列孔结构；

S4、控制系统减小单个点光源的面积为a2，该光源透过电极板照射在光致导电层上，在所述光致导电层上形成微阵列排布的第二导电区，微阵列排布的第二导电区与待加工工件继续发生电化学反应，第一层微阵列孔结构的底部被逐渐溶解，从而加工出第二层微阵列孔结构；其中，a2小于a1；

重复步骤S4,直至形成预设的微阵列类金字塔状孔结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的基于光致导电电极板的电化学加工装置，利用光致导电层受光照导电的特性，通过控制光源的形状及面积来控制电化学加工的面积及形状，省去了传统电化学加工的掩膜或电极板的制作，简化了加工立体微阵列结构的过程，节约了生产成本，通电后，电解液与待加工工件产生化学反应，形成金属盐，并在待加工工件的表面形成微孔结构，实现了待加工工件的电化学加工。

2、本发明提供的基于光致导电电极板的电化学加工装置，采用成本低廉的直流电源和脉冲光源相互配合，实现了传统脉冲电源的效果，保证了电化学加工精度，且无须制作脉冲电源。

3、本发明提供的基于电化学加工装置的电化学加工方法，无须制作掩膜等步骤，直接通过光源的改变实现加工结构的改变，工艺简单，操作精度高，生产成本低。

附图说明

图1为本发明基于光致导电电极板的电化学加工装置的结构示意图；

图2为本发明基于电化学加工装置的电化学加工方法实施例一的流程图；

图3为本发明基于电化学加工装置的电化学加工方法实施例一的结构示意图；

图4为本发明基于电化学加工装置的电化学加工方法实施例二的流程图；

图5为本发明基于电化学加工装置的电化学加工方法实施例二的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于光致导电电极板的电化学加工装置，包括供电电源1、电解液2、与所述供电电源1电连接的待加工工件3、与所述供电电源1电连接的电极板4、位于所述电极板4表面靠近所述待加工工件3一侧的光致导电层5、用于照射电极板4的光照系统6以及用于控制所述光照系统6的控制机构7；

所述电极板4为透明电极板，所述光照系统6发出微阵列光透过所述电极板4照射在所述光致导电层5的部分表面上，在所述光致导电层5上形成绝缘区51和导电区52；

其中，所述绝缘区51为所述光致导电层5上未被所述光照系统6照射到的区域，所述导电区52为所述光致导电层5上被所述光照系统6照射到的区域；

通电后，在所述待加工工件3与所述导电区52之间产生电化学反应，所述待加工工件3上与所述导电区52相对应的位置被溶解。

所述供电电源1用于给所述电极板4和待加工工件3提供电流，便于电极板4和待加工工件3在所述电解液2内部进行电化学反应，实现电化学加工。所述供电电源1可以为脉冲电源，也可以为直流电源，本实施例中，所述供电电源1为直流电源，用于减少脉冲电源的制作，节约生产成本。具体的，所述供电电源1包括正极和负极。

所述电解液2用于实现电化学反应，其为酸性电解液，所述电极板4和所述待加工工件3均位于所述电解液2内部，便于通电后，在所述电极板4与所述待加工工件3之间产生电化学反应，实现所述待加工工件3的微加工，即通电后，酸性电解液与待加工工件3产生化学反应，形成金属盐，在待加工工件3的表面形成微孔结构。

所述待加工工件3与所述供电电源1的负极电连接，其与所述电极板4均位于所述电解液2内部，便于通电后产生电场，发生电化学反应。

所述电极板4与所述供电电源1的正极电连接，其与所述待加工工件3相互配合，实现电化学反应。为了便于所述光照系统6发出的光能够顺利的照射到所述光致导电层5上，所述电极板4为透明电极板，具体的，所述电极板4由导电玻璃、导电塑料等透明导电材料制成。

此处，由于所述待加工工件3与负极电连接，所述电极板4与正极电连接，所述供电电源1供电后，在所述待加工工件3与所述电极板4之间产生电场，电解液2与所述待加工工件3发生电化学反应，溶解所述待加工工件3的表面，实现对待加工工件3的加工，实现本发明的微加工过程。

所述光致导电层5位于所述电极板4的表面靠近所述待加工工件3的一侧，其由金属光电材料或高分子光电材质制成，具体的，所述光致导电层5由硒、硒碲合金、硫化镉、氧化锌、聚乙烯咔唑等材料制成，具体根据实际需要，选择所述光致导电层5的材料。

此处需要说明的是，由于所述光致导电层5具有光照导电的特性，故其受到光照的区域会形成导电区52，没有光照的区域会形成绝缘区51。

所述光照系统6用于照射所述光致导电层5，便于在所述光致导电层5上形成绝缘区51和导电区52，本实施例中，所述光照系统6为微阵列光源，其照射于所述光致导电层5上后，在所述光致导电层5上形成了微阵列导电区，从而保证电化学反应后，在所述待加工工件3上形成微阵列结构。

为了提高微阵列结构的精度，实现脉冲电化学反应，本实施例中，所述供电电源1为直流电源，所述光照系统6为脉冲光源，其与本实施例中的直流电源1相互配合，模拟脉冲电源的电化学加工效果，保证了待加工工件3表面的加工精度，且无须制作脉冲电源，节约了生产成本。

所述控制机构7与所述光照系统6电连接，其用于控制所述光照系统6的光源形状、角度、时间以及频率、微阵列光源的具体分布等，从而实现复杂的微阵列结构以及立体微阵列结构的加工。本实施例中，所述控制机构7为计算机。

本发明提供的基于光致导电电极板的电化学加工装置，工作时，供电电源1供电，在待加工工件3与电极板4之间形成电场，光照系统6发出的微阵列光源透过电极板4照射于光致导电层5上，在光致导电层5上形成微阵列导电区，使得待加工工件3的表面与微阵列导电区相对应的位置发生化学反应，导致待加工工件3的表面与微阵列导电区相对应的位置逐渐溶解，从而加工出与导电微阵列结构对应的微阵列结构。

相应的本发明还提供基于上述电化学加工装置的电化学加工方法。

下面通过两个具体实施例说明通过上述电化学加工装置加工出微阵列结构的过程：

实施例一

如图2-3所示，微阵列排布的柱状孔结构，光照系统6为阵列排布的点光源，且该点光源的形状及大小与柱状孔结构的截面形状及大小相同，具体包括以下步骤：

S1、供电电源1供电，在待加工工件3与电极板4之间形成电场。

S2、控制系统7根据预设的微阵列柱状孔结构设置相应的光照系统6的光源结构，所述光照系统6为阵列排布的点光源，该光源透过电极板照射在光致导电层5上，在光致导电层5上形成微阵列排布的导电区51。

S3、微阵列排布的导电区与待加工工件3发生电化学反应，待加工工件3表面与微阵列排布的导电区相对应的位置被逐渐溶解，从而加工出预设的微阵列柱状孔结构。

实施方式二

如图4-5所示，微阵列类金字塔状孔结构，具体包括以下步骤：

S1、供电电源1供电，在待加工工件3与电极板4之间形成电场。

S2、控制系统7根据预设的微阵列类金字塔状孔结构设置相应的光照系统的光源结构，所述光照系统6为阵列排布的点光源，该光源透过电极板4照射在光致导电层5上，在光致导电层5上形成微阵列排布的第一导电区5a，其中单个点光源的面积为a1。

S3、微阵列排布的第一导电区5a与待加工工件3发生电化学反应，待加工工件3表面与微阵列排布的第一导电区5a相对应的位置被逐渐溶解，从而加工出第一层微阵列孔结构。

S4、控制系统7减小单个点光源的面积为a2，该光源透过电极板4照射在光致导电层5上，在所述光致导电层5上形成微阵列排布的第二导电区5b，微阵列排布的第二导电区5b与待加工工件3继续发生电化学反应，第一层微阵列孔结构的底部被逐渐溶解，从而加工出第二层微阵列孔结构，其中，a2小于a1。

重复步骤S4,直至形成预设的微阵列类金字塔状孔结构，即可完成整个电化学加工过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的基于光致导电电极板的电化学加工装置，利用光致导电层受光照导电的特性，通过控制光源的形状及面积来控制电化学加工的面积及形状，省去了传统电化学加工的掩膜或电极板的制作，简化了加工立体微阵列结构的过程，节约了生产成本，通电后，电解液与待加工工件产生化学反应，形成金属盐，从而在待加工工件的表面形成微孔结构，实现了待加工工件的电化学加工。

2、本发明提供的基于光致导电电极板的电化学加工装置，采用成本低廉的直流电源和脉冲光源相互配合，实现了传统脉冲电源的效果，保证了电化学加工精度，且无须制作脉冲电源。

3、本发明提供的基于电化学加工装置的电化学加工方法，无须制作掩膜等步骤，直接通过光源的改变实现加工结构的改变，工艺简单，操作精度高，生产成本低。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于光致导电电极板的电化学加工装置，其特征在于，包括供电电源、电解液、与所述供电电源电连接的待加工工件、与所述供电电源电连接的电极板、位于所述电极板表面靠近所述待加工工件一侧的光致导电层、用于照射电极板的光照系统以及用于控制所述光照系统的控制机构；

所述电极板为透明电极板，所述光照系统发出微阵列光透过所述电极板照射在所述光致导电层的部分表面上，在所述光致导电层上形成绝缘区和导电区；

其中，所述绝缘区为所述光致导电层上未被所述光照系统照射到的区域，所述导电区为所述光致导电层上被所述光照系统照射到的区域；

通电后，在所述待加工工件与所述导电区之间产生电化学反应，所述待加工工件上与所述导电区相对应的位置被溶解；

所述电极板由导电玻璃或导电塑料制成；

所述光照系统为微阵列光源，其照射于所述光致导电层上后，在所述光致导电层上形成了微阵列导电区；

所述供电电源包括正极和负极；

所述待加工工件与所述供电电源的负极电连接；

所述电极板与所述供电电源的正极电连接。

2.如权利要求1所述的基于光致导电电极板的电化学加工装置，其特征在于，所述光致导电层由金属光电材料或高分子光电材质制成。

3.如权利要求1所述的基于光致导电电极板的电化学加工装置，其特征在于，所述光致导电层由硒、硒碲合金、硫化镉、氧化锌或聚乙烯咔唑制成。

4.如权利要求1所述的基于光致导电电极板的电化学加工装置，其特征在于，所述供电电源为直流电源，所述光照系统为脉冲光源。

5.如权利要求1所述的基于光致导电电极板的电化学加工装置，其特征在于，所述供电电源为脉冲电源。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的电化学加工装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、供电电源供电，在待加工工件与电极板之间形成电场；

S2、控制系统根据预设的微阵列柱状孔结构设置光照系统的光源结构，所述光照系统为阵列排布的点光源，该光源透过电极板照射在光致导电层上，在光致导电层上形成微阵列排布的导电区；

S3、微阵列排布的导电区与待加工工件发生电化学反应，待加工工件表面与微阵列排布的导电区相对应的位置被逐渐溶解，从而加工出预设的微阵列柱状孔结构。

7.一种基于权利要求1-5任一项所述的电化学加工装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、供电电源供电，在待加工工件与电极板之间形成电场；

S2、控制系统根据预设的微阵列类金字塔状孔结构设置相应的光照系统的光源结构，所述光照系统为阵列排布的点光源，该光源透过电极板照射在光致导电层上，在光致导电层上形成微阵列排布的第一导电区，其中单个点光源的面积为a1；

S3、微阵列排布的第一导电区与待加工工件发生电化学反应，待加工工件表面与微阵列排布的第一导电区相对应的位置被逐渐溶解，从而加工出第一层微阵列孔结构；

S4、控制系统减小单个点光源的面积为a2，该光源透过电极板照射在光致导电层上，在所述光致导电层上形成微阵列排布的第二导电区，微阵列排布的第二导电区与待加工工件继续发生电化学反应，第一层微阵列孔结构的底部被逐渐溶解，从而加工出第二层微阵列孔结构；其中，a2小于a1；

重复步骤S4,直至形成预设的微阵列类金字塔状孔结构。